隴東地區(qū)煤矸石細(xì)骨料混凝土的工程性能研究

張興元 吳耿強 顏維丞 劉德安

（1 甘肅省高校黃土工程性質(zhì)及工程應(yīng)用省級重點實驗室，甘肅 慶陽 745000；2 隴東學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000）

0 引言

隴東地區(qū)是甘肅省最主要的能源化工基地之一，其中慶陽地區(qū)煤炭的儲存量預(yù)計約2360 億噸左右，占甘肅省煤炭儲存量的97%[1]。煤矸石是煤炭開采過程中丟棄的固體廢棄物[2]，隨著慶陽經(jīng)濟的高速發(fā)展和煤炭開采量不斷增大，煤矸石的堆積量會越來越多。大量的煤矸石堆積不但會占用大量的耕地，而且煤矸石自燃容易引發(fā)火災(zāi)，同時也會引發(fā)泥石流等自然災(zāi)害。因此，將煤矸石合理利用，變廢為寶，就可很大程度上減少以上問題的出現(xiàn)[3]。

有專家學(xué)者提出，將煤矸石作為混凝土的部分或者全部骨料，形成煤矸石混凝土，作為煤矸石回收利用的途徑之一。如李慶文[4]等通過凍融和碳化交替作用，對煤矸石混凝土的耐久性進(jìn)行研究；周梅[5]等對煅燒煤矸石粉對混凝土工作性和強度的影響進(jìn)行了研究；李永靖[6]等通過設(shè)計試驗，對煤矸石混凝土抗硫酸鹽侵蝕進(jìn)行研究，王長龍[7]等通過試驗，對煤矸石與鐵尾礦制備的加氣混凝土的性能進(jìn)行了研究，周梅[8]等通過選取代表自燃煤矸石粗集料特性的砂率、顆粒級配和附加用水量為影響因素，對自燃煤矸石粗集料對砂輕混凝土性能的影響進(jìn)行了試驗研究，周梅[9]等將自燃煤矸石作為骨料，應(yīng)用在預(yù)拌混凝土中，對其性能進(jìn)行研究，張向東[10]等通過試驗，對自燃煤矸石輕集料混凝土碳化性能進(jìn)行研究。

綜上所述，現(xiàn)階段，國內(nèi)外的專家學(xué)者對煤矸石混凝土進(jìn)行了大量研究，取得了許多有意義的成果，但針對隴東地區(qū)的煤矸石混凝土的研究還較少，而且在工程建設(shè)中沒有相關(guān)規(guī)范可以參考。因此，本文通過采取隴東地區(qū)天然煤矸石，粉碎過篩后代替部分或者全部混凝土作細(xì)骨料制成煤矸石混凝土，然后和商品混凝土的對比分析，對煤矸石混凝土的工程性能進(jìn)行研究，研究成果對該地區(qū)的工程建設(shè)和環(huán)境保護(hù)具有重要的意義。

1 試驗材料

1.1 煤矸石

本次試驗所需的煤矸石取自慶陽市寧縣某小煤礦，為天然煤矸石，黑色或灰黑色，較堅硬。如圖1所示。

圖1 煤矸石原材料

1.2 粗骨料和砂子

配制煤矸石細(xì)骨料混凝土所需的粗骨料和砂子取自土木工程材料實驗室，粗骨料的級配粒徑在5-20mm 之間。雜質(zhì)和含泥量滿足混凝土的配制要求。

1.3 水泥

水泥采用土木工程材料實驗室的P·O42.5級硅酸鹽水泥。

2 試驗方案

1）采用從某商混站購買的商品混凝土（煤矸石摻和率為0%），按照C30,C35 和C40 三個強度等級制成150mm×150mm×150mm 的標(biāo)準(zhǔn)試塊，然后在標(biāo)準(zhǔn)條件下在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28d 備用；

2）將從煤礦采集回來的新鮮煤矸石粉碎，然后過篩，取粉碎后粒徑在2-5mm 范圍內(nèi)的煤矸石備用（圖2）；

圖2 粉碎后的煤矸石顆粒

3）基于一定配合比，采用上述⑵中的煤矸石，以10%、20%、30%、40%和50%的替代率代替砂子配制C30,C35 和C40 三個強度等級的煤矸石混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊，試塊尺寸為150 mm×150mm×150mm，然后在標(biāo)準(zhǔn)條件下在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28d 備用；

4）參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》和《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》分別對上述試塊進(jìn)行抗壓強度試驗、抗拉強度試驗和碳化深度測試。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 抗壓強度

圖3表示的是不同混凝土強度等級下，商品混凝土（煤矸石摻和率為0%）和不同摻和率的煤矸石混凝土的抗壓強度性能。

圖3 不同摻和率的煤矸石混凝土抗壓強度性能

從圖3可以看出，隨著煤矸石的摻和率不斷增大，混凝土的抗壓強度先增大后減小。

從圖3中可得出，煤矸石細(xì)骨料的摻和率小于30%時，煤矸石混凝土的抗壓強度高于同等級商品混凝土的抗壓強度，當(dāng)煤矸石的摻和率大于30%時，煤矸石混凝土的抗壓強度逐漸小于同等級商品混凝土的抗壓強度。

3.2 抗拉強度

圖4表示的是不同混凝土強度等級下，商品混凝土（煤矸石摻和率為0%）和不同摻和率的煤矸石混凝土的抗拉強度性能。

圖4 不同摻和率的煤矸石混凝土抗拉強度性能

從圖4可以看出，隨著煤矸石的摻和率不斷增大，混凝土的抗拉強度整體上先增大后減小。

從圖4中可得出，煤矸石細(xì)骨料的摻和率小于28%時，煤矸石混凝土的抗拉強度高于同等級商品混凝土的抗拉強度，當(dāng)煤矸石的摻和率大于28%時，煤矸石混凝土的抗拉強度逐漸小于同等級商品混凝土的抗拉強度。

3.3 碳化深度

圖5表示的是不同混凝土強度等級下，商品混凝土（煤矸石摻和率為0%）和不同摻和率的煤矸石混凝土的碳化性能。

圖5 不同摻和率的煤矸石混凝土的碳化性能

從圖5可以看出，隨著煤矸石的摻和率不斷增大，混凝土的碳化深度逐漸增大，但煤矸石細(xì)骨料的摻和率小于20%時，碳化深度增長的速率較小，摻和率超過20%時，混凝土碳化深度增長的速率較大。

從圖5中還可以得出，在煤矸石摻和率相同的條件下，隨著混凝土強度等級的增大，碳化深度逐漸減小，這說明混凝土強度等級越高，煤矸石混凝土的耐久性越好。

4 結(jié)論

1）當(dāng)煤矸石的摻和率小于30%時，煤矸石混凝土的抗壓強度高于同等級商品混凝土的抗壓強度，當(dāng)煤矸石的摻和率大于30%時，煤矸石混凝土的抗壓強度逐漸小于同等級商品混凝土的抗壓強度；

2）煤矸石細(xì)骨料的摻和率小于28%時，煤矸石混凝土的抗拉強度高于同等級商品混凝土的抗拉強度；

3）煤矸石細(xì)骨料的摻和率小于20%時，煤矸石混凝土碳化深度增長的速率較??；

4）混凝土強度等級越高，煤矸石混凝土的耐久性越好；

5）在控制一定摻和率的情況下，煤矸石可以作為混凝土的骨料應(yīng)用，這將為煤矸石的回收利用提供一種新的途徑，對于隴東地區(qū)礦區(qū)的環(huán)境保護(hù)具有重要的現(xiàn)實意義。